CURSO DE VERANO Energía a y Medio Ambiente La eficiencia energética; alternativas tecnológicas San Sebastián, 12, 13 y 14 de julio de 2004

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1 FUNDACIÓN N GAS NATURAL UNIVERSIDAD DEL PAÍS S VASCO CURSO DE VERANO Energía a y Medio Ambiente La eficiencia energética; alternativas tecnológicas San Sebastián, 12, 13 y 14 de julio de 2004 La perspectiva del hidr ógeno: los problemas y soluciones econ ómicos y ambientales de la generaci ón n de hidrógeno y su uso en generaci ón eléctrica Pedro Luis Arias Ergueta Escuela Superior de Ingeniería a (UPV/EHU) Índice de la presentación Introducción El hidrógeno nuevo vector energ ético La fabricación n del hidrógeno Centralizada/Descentralizada Tecnologías disponibles o emergentes Valoraciones económicas y medioambientales Usos presentes y futuros del hidr ógeno El hidrógeno y la generaci ón n eléctrica distribuida Conclusiones 1

2 Introducción El hidrógeno es incoloro, inodoro e insípido El hidrógeno no es tóxico, ni contaminante, ni corrosivo, ni cancerígeno, ni radiactivo El hidrógeno, utilizado adecuadamente, es un combustible tan seguro como los combustibles convencionales El hidrógeno abunda en la naturaleza, pero combinado como agua o hidrocarburos. Introducción Parece plausible que en un mundo con un desarrollo sostenible el hidrógeno producido a partir de fuentes de energías renovables jugará un papel decisivo en el correspondiente sistema energético. Las pilas de combustible presentan un rendimiento que dobla el de los motores de combustión n interna y sólo desprenden vapor de agua y calor. El hidrógeno puro no se encuentra en la naturaleza. Su producción depende de las fuentes de energía actuales, costosas y de accesibilidad limitada: Electrólisis lisis utilizando energías renovables (hidroeléctrica, eólica o solar) Reformado de combustibles ffósiles (emisiones asociadas de gases invernadero) I+D+i necesarios para generalizar su utilización n como vector energético. 2

3 El hidrógeno nuevo vector energético El hidrógeno es un vector energético. No existe en cantidades significativas en nuestro planeta. Sin embargo sirve para almacenar y transportar energía, así como para producirla mediante su combustión convencional o electroquímica. Sus poderes caloríficos valen: Inferior: 120 MJ/kg Superior: MJ/kg Masa H 2 (kg) 1 El hidrógeno nuevo vector energético H 2 gas (Nm 3 ) H 2 (l) (Litros) Energía (MJ) 120 Energía (kwh)

4 El hidrógeno nuevo vector energético Un electrolizador con un rendimiento del 85 % que produzca 10 Nm 3 /h de H 2, consume kw y kg de agua Una pila de combustible de 10 kw que tenga un rendimiento global del 45 % consume 7.40 Nm 3 de H 2 /h ó kg de H 2 /h y produce 6.00 kg de agua P.C.I.. (kj( kj/g) El hidrógeno nuevo vector energético Hidrógeno 120 Gasolina 43 Metano 50 Densidad gas (kg/nm 3 ) Densidad energ ética gas (MJ/Nm 3 ) Densidad l íquido (kg/l) Densidad energ ética líquido (MJ/m 3 ) Límites inflamabilidad (%) T comb. esopont. (K) (aprox.) Emisiones ( mg CO 2 /kj) Visibilidad llama 0 NO 80 (aprox.) Si 55 SI 4

5 El hidrógeno nuevo vector energético 1 kg de H 2 equivale a 2.78 kg de gasolina, a 2.80 kg de gasóleo y a unos 3 kg de gas natural 1 L de H 2 líquido equivale a L de gasolina y a L de gasóleo 1 L de H 2 gas (a 350 bar) equivale a 0.10 L de gasolina, a 0.09 L de gasóleo y a unos 0.3 L de gas natural (a 350 bar) El hidrógeno nuevo vector energético Transporte: A la misma presión n de compresión, un mismo gaseoducto permite transportar 3 unidades de energía a como gas natural por cada una como hidrógeno. Almacenamiento: Baja densidad Costes elevados si se desea licuar Desarrollos en curso: como hidruros (Mg 2 NiH 4, LaNi 5 H 6 ), en fibras de carbono,. Hidrógeno Metanol Hidrógeno? 5

6 La fabricación n del hidrógeno Fabricación n centralizada/descentralizada: Para grandes consumos plantas cercanas que minimicen transporte y almacenamiento Para consumos medios o pequeños: La fabricación n centralizada permite optimizar tecnologías y reducir costes de fabricación, pero aparecen los costes asociados al almacenamiento y transporte. La fabricación n descentralizada permite utilizar energía eléctrica renovable in situ o las redes ya existentes de distribución n (gas natural), aunque los costes unitarios fijos y variables resultan superiores. La fabricación n del hidrógeno Procesos de producción n de hidrógeno: Como subproducto: En procesos de refino de petróleo (reformado catalítico) tico) En la electrólisis lisis del NaCl en disolución n acuosa Como producto principal: Mediante reformado de combustibles fósiles Mediante descomposición n térmica t de combustibles fósiles (usualmente de sus fracciones más s pesadas) Mediante electrólisis lisis de agua 6

7 La fabricación n del hidrógeno Subproducto en el refino de petr óleo: Las refinerías lo auto-consumen en su totalidad para hidrotratamientos de naftas y gasóleos. Además, las refinerías necesitan cantidades muy importantes de hidrógeno adicionales: plantas propias que utilizan el reformado de gas residual rico en metano y otros hidrocarburos ligeros. Las crecientes restricciones medioambientales en las especificaciones de los combustibles para el transporte convencionales y la necesidad de refinar crudos de peor calidad disparan el consumo de hidrógeno en una refinería. La fabricación n del hidrógeno Subproducto de la electr ólisis del NaCl (ac): Esta producción se encuentra totalmente ligada a la de cloro. El principal mercado del cloro se ha contraído. Era la fabricación n de cloruro de vinilo para fabricar PVC. La utilización n de este plástico está prohibida para usos de vida corta (problemas ambientales en vertederos por aparición n de compuestos orgánicos de muy alta toxicidad). El hidrógeno producido por estas plantas es el que las empresas de gases industriales comercializan para aplicaciones convencionales (hornos metalúrgicos con atmósferas especiales, hidrogenación n de grasas, fabricación de vidrio, etc.) 7

8 La fabricación n del hidrógeno A partir de combustibles fósiles: Gasificación n de carbón n + depuración n del gas producido + WGSR (CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ) + tratamiento final del H 2. Reformado de hidrocarburos. El metano es el más m s adecuado y utilizado. Descomposición n térmica t de fracciones pesadas de petróleo (C( x H 2y = x C + y H 2 ). Plantas de coquización La fabricación n del hidrógeno Procesos de reformado (metano): Reformado con vapor de agua: Reacción n principal (reformado) CH 4 + H 2 O = CO + 3 H 2 _H r0 = kj/mol Reacción n de desplazamiento (WGSR) CO + H 2 O = CO 2 + H 2 _H r0 = kj/mol Reacción n de coquización 2 CO = C (s) + CO 2 La enorme endotermicidad del proceso exige que parte del metano se deba quemar para suministrar el calor necesario y exige reactores (hornos de reformado muy complejos y caros) 8

9 La fabricación n del hidrógeno Planta de reformado: steam DESULFURIZATION natural gas flue gas to stack PRE-REFORMER superheated steam REFORMER TUBES RADIANT SECTION CONVECTIVE SECTION STEAM DRUM air SYNTHESIS GAS condensate Figure 1 Steam reforming with desulfurisation and pre-reforming La fabricación n del hidrógeno Procesos de oxidación n parcial catalítica: tica: Reacción n de oxidación n selectiva: 2 CH 4 + O 2 = 2 CO + 4 H 2 _H r0 = - 36 = - 36 kj/mol A continuación n seguiría a la reacción n de desplazamiento para convertir CO en CO 2 y producir más s hidrógeno. Por tratarse de una reacción n ligeramente exotérmica puede automantenerse y el reactor es muchísimo más s sencillo, compacto y barato que en el caso del reformado convencional. El rendimiento H 2 /CH 4 es algo menor que en el reformado. 9

10 La fabricación n del hidrógeno Procesos de autorreforamado: Combinan una combustión n parcial del metano exotérmica con defecto de oxígeno y un posterior reformado con vapor de agua de los productos de la combusti ón n para generar un proceso autotérmico rmico. El reactor presenta una complejidad intermedia entre la de los dos casos anteriores. La fabricación n del hidrógeno Planta de autorreformado: DESULFURIZER steam steam AUTOTHERMAL REFORMER carbon (optional) dioxide oxygen FEED HEATER STEAM DRUM SYNTHESIS GAS AUTOTHERMAL REFORMING condensate Figure 2 10

11 La fabricación n del hidrógeno Procesos de electrólisis lisis de agua: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2 _H 0 r = 286 kj/mol El rendimiento de los electrolizadores puede llegar al 85 %. Para el rendimiento global y su valoración n medioambiental el factor fundamental es el origen de la energ ía a eléctrica que se consume (rendimiento de la planta correspondiente y si se utiliza energ ías renovables o no renovables). La fabricación n del hidrógeno Otros procesos (ciclos termodin ámicos): Descomposición n térmica t del agua: Temperatura de proceso ( ºC) Eficiencia calor- hidrógeno (%) Estado de desarrollo Electrólisis lisis Comercial Ciclo azufre - iodo Pre-piloto Ciclo calcio - bromo Planta piloto Ciclo cobre - cloro I+D 11

12 La fabricación n del hidrógeno Otros procesos (ciclos termodinámicos): micos): Descomposición n térmica t del agua (ejemplo): Producción n de hidrógeno (430 ºC): 2 Cu + 2 HCl = H CuCl Reacción n intermedia (electroquímica, ºC): 4 CuCl = 2 Cu + 2 CuCl 2 Formación n de oxígeno (< 550 ºC): 2 CuCl 2 + H 2 O = _ O HCl + 2 CuCl Reacción n neta: H 2 O = H 2 + _ O 2 La fabricación n del hidrógeno Otros procesos: Descomposición n fotoquímica del agua mediante la activación n de esta molécula utilizando un material (p. e., algunos compuestos de Ce) capaz de oxidarse para reducir el hidrógeno del agua y de volverse a reducir mediante energía a solar. Descomposición n biológica de compuestos en disolución acuosa (p. e., bioetanol) ) mediante microorganismos capaces de generar hidrógeno como producto de su metabolismo. 12

13 La fabricación n del hidrógeno Valoración n de las tecnologías: TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO BENEFICIOS BARRERAS Electrólisis: ruptura de la molécula de agua mediante energía eléctrica Reformado con vapor y tecnologías similares: ruptura de hidrocarburos mediante energía térmica y vapor de agua Gasificación: ruptura de hidrocarburos pesados o biomasa en hidrógeno y gases para reformado Disponible comercialmente, tecnología probada. Proceso industrial bien conocido: modular, genera hidrógeno de alta pureza. Adecuado para producirlo a partir de electricidad renovable, almacenando excedentes Muy utilizado y bien conocido para escalas grandes, bajo coste del hidrógeno. Permite tecnologías para atrapar el CO 2 a gran escala Bien conocida a gran escala. Puede utilizarse con sólidos y con líquidos Fortísimo impacto del precio de la electricidad. Baja eficiencia de todo el proceso conjunto (incluyendo la generación de la energía eléctrica). Competencia con el uso directo de la energía eléctrica renovable Unidades pequeñas no comerciales o muy incipientes. Hidrógeno con algunas impurezas. Emisiones de CO 2. Se necesita un combustible fósil primario Escasas unidades pequeñas. El hidrógeno producido exige mucha purificación ulterior. La gasificación de biomasa todavía en investigación. Compite con la utilización directa de los biocombustibles La fabricación n del hidrógeno Valoración n de las tecnologías: TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Ciclos termodinámicos: ruptura de la molécula de agua utilizando calor residual a alta temperatura: nuclear o solar concentrada BENEFICIOS Posible producción masiva de hidrógeno sin emisiones de gases invernadero. Alta eficiencia (casi 50 % del calor primario total) BARRERAS No comercial. I+D durante al menos 10 años. Residuos nucleares. Seguridad. Infraestructura para transportar el hidrógeno. Otros procesos químicos de descomposición: ruptura termoquímica de la molécula de agua mediante ciclos a temperaturas medias[1] Como en el caso anterior, pero abaratamiento de materiales. Aprovecharía calores residuales de centrales convencionales No comercial. Investigaciones incipientes. Procesos biológicos: algas y bacterias que producen hidrógeno en ciertas condiciones Enormes potencialidades Producciones pequeñas. Grandes superficies. Aún en investigación. No se han encontrado todavía los microorganismos más adecuados 13

14 Usos presentes y futuros del hidrógeno El hidrógeno y la generación eléctrica distribuida El futuro de esta vector energético para la generación n de energía a eléctrica está asociado al desarrollo de las diversas tecnologías asociadas a las pilas de combustible. Podrían llega a funcionar grandes plantas de generación de energía a eléctrica con hidrógeno como combustible (plantas que no generarían an emisiones de gases invernadero y no precisarían an de su captación n y almacenamiento). Pero este vector energético parece más m s adecuado para la generación n de energía a eléctrica distribuida, en plantas de potencias pequeñas o medianas. 14

15 El hidrógeno y la generación eléctrica distribuida Razones para su adecuación n a la generación n distribuida de energía a eléctrica: No existe una infraestructura para su almacenamiento y distribución n como la que existe para el gas natural. A corto o medio plazo es muy probable que el hidrógeno se fabrique cerca de su punto de consumo y que sean sus materias primas (gas natural, metanol, )) las que se almacenen y distribuyan mediante las infraestructuras disponibles. A largo plazo, un desarrollo sostenible exige su producción n a partir de fuentes renovables de energía, especialmente la solar, fuentes cuya estructura productiva será bastante descentralizada. El hidrógeno y la generación eléctrica distribuida Razones para su adecuaci ón n a la generación distribuida de energ ía a eléctrica: Si, como parece, la utilización n del hidrógeno como vector energético va a estar muy ligado a su utilización n como alimentación n de pilas de combustible para producir energía a eléctrica y calor residual, las pilas de combustible son muy adecuadas para la fabricación n descentralizada de energía a eléctrica a muy diversas escalas: Desde pilas de membrana polimérica (PEM) que operan a baja temperatura y muy adecuadas para bajas potencias Hasta pilas de óxidos sólidos que resultan muy prometedoras para generar potencias mayores o para su integración n en ciclos combinados de alto rendimiento. 15

16 El hidrógeno y la generación eléctrica distribuida Una aproximación n a la evaluación n económica I: Se trata de diseñar un sistema alimentado con gas natural capaz de producir energía a eléctrica a 0.10 $/kwh mediante una pila PEM: El coste con las tecnologías disponibles (2003) es de 0.45 $/kwh Para alcanzar el precio objetivo es necesario: Un 25% de mejora en la eficiencia global Un 4000% de aumento en la vida de la pila de combustible Un 500% de aumento en la potencia de salida Un 95% de reducción n en el coste de la pila PEM y un 75% de reducción n en el coste del reformador de gas natural. El hidrógeno y la generación eléctrica distribuida Una aproximación n a la evaluación n económica II: El coste actual para energía eléctrica fabricada a partir de gas natural mediante pilas de combustible PEM es de 0.45 $/kwh. El reformado a presión n de gas natural y la purificación n del hidrógeno mediante PSA es la solución óptima para generar el H 2. Los requerimientos para reducir el coste a 0.10 $/kwh incluyen: Un 40% de eficiencia global mínima 3000 $/kw de costes de inversión n frente a los $/kw actuales 15 años de vida ó h frente a 1000 h actuales 3.37 $/MMBTU como precio del gas natural El sistema debe superar los 800 kw de potencia Datos tomados de Validation of an Integrated System for a Hydrogen-Fueled Park by T. Carlson y otros. Hydrogen, Fuel Cells and infrastructure Technologies, FY 2003 Progreaa Report. 16

17 Conclusiones 17